Petrobrás; ANP; UTFPR; LACIT / Bombas centrífugas submersas têm sido cada vez mais utilizadas comométodo de elevação artificial para a produção de óleos em campos marítimos profundos. O bombeio de fluidos com viscosidades significativamente diferentes a da água gera um desempenho da bomba distinto ao do apresentado no seu catálogo, com uma queda de rendimento da mesma, assim sendo, a influência da viscosidade do fluido no desempenho em uma bomba centrífuga submersa tem recebido muita atenção há alguns anos. Neste cenário, no presente trabalho foi realizada a simulação numérica do escoamento monofásico, newtoniano, incompressível e isotérmico no rotor e difusor de uma bomba centrífuga submersa utilizando o programa de dinâmica de fluidos computacional ANSYS CFX. As simulações numéricas foram realizadas para um estágio de uma BCS de três estágios para escoamentos envolvendo fluidos com viscosidades variando de 1 a 1020 cP. A partir dos resultados numéricos obtidos foram elaboradas as curvas para a altura de elevação da bomba e eficiência e comparados contra dados experimentais obtidos por Amaral (2007). Também foi realizada uma análise do padrão do escoamento no rotor e difusor com o objetivo de avaliar o comportamento dos campos de velocidade e pressão, a intensidade turbulenta e o aparecimento de recirculações para a BCS operando fora da faixa de operação ótima. Alem disso foi analisada a degradação do desempenho da bomba em função da viscosidade do fluido de trabalho, e foram utilizados números adimensionais como parâmetros para quantificar essa degradação. / This work presents a numerical analysis on the influence of viscosity on the performance of a semi-axial electrical submersible pump (ESP) such as the ones used in offshore petroleum production. A single stage composed of an impeller with seven blades and a diffuser with seven vanes is considered. Flow simulations for water and other fluids with viscosity ranging from 60 to 1020 cP were performed with the aid of Computational Fluid Dynamics, and both design and off-design flow rates and impeller speeds were investigated. The numerical model was compared with experimental measurements of the static pressure difference on a given stage of a three-stage ESP system. Results showed good agreement between the numerical and the measured pressure difference values. As a main objective, the pump performance degradation relative to viscosity is analyzed for several conditions regarding design and off-design operation. The flow field pattern associated with the effect of viscosity is also analyzed. Studying the pump performance degradation cause by viscosity, especially for off-design operation like this work is also intended, is a current and ongoing demand in offshore petroleum production. In association with that, understanding the flow field pattern for those scenarios, which seems to be very particular for each pump, should help to contribute to the related literature in this field.

Orientador: Eugenio Spano Rosa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-22T03:47:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barbosa_MarcosPinotti_D.pdf: 44752191 bytes, checksum: 4001ae207eef045165cfeee88edbd4e8 (MD5) Previous issue date: 1996 / Resumo: A falta de informação básica sobre os mecanismos responsáveis pela hemólise mecânica impede, na maioria dos casos, o uso adequado da bomba centrífuga. Visando a preencher esta lacuna, este trabalho foi conduzido de modo a se estudarem as estruturas básicas do escoamento no interior de uma bomba centrífuga e relacioná-las a um potencial de hemólise. Foram empregadas duas abordagens distintas: simulação numérica de um canal isolado dabomba, com o objetivo de compreender a interação entre as forças inerciais, viscosas e de pressão em diversas situações operacionais, e medição experimental do campo de velocidade nos canais internos da bomba, com a finalidade de se obter uma visão global do escoamento e da interação entre os diferentes canais. O desafio do método numérico foi resolver as equações do movimento escritas em coordenadas ortogonais generalizadas a partir da formulação de fluxo de tensão. O programa computacional foi implementado em FORTRAN, empregando um algoritmo baseado no método dos volumes finitos. As medidas de velocidade foram realizadas por um sistema de anemômetro laser Doppler de última geração, capaz de medir duas componentes simultâneas de velocidade. Desenvolveu-se um protocolo experimental que superou os principais obstáculos associados ao acesso óptico às regiões de interesse no interior da bomba e à similaridade entre as condições de testes e as fisiológicas. A contribuição deste trabalho foi o desenvolvimento de uma metodologia de análise que relaciona as estruturas básicas do escoamento ao potencial de danos às células vermelhas do sangue / Abstract: The lack of basic information about the performance of mechanical hemolysis severely affects centrifugal blood pump handling. The present work faced this problem by studying the flow structures and the way hemolytic potential is influenced by them. Two distinct approaches were employed: numerical simulation of a single channel of the pump, in order to understand the interaction of inertial, viscous and pressure forces in different operational situations, and non-invasive measurements of the velocity field to provide a general picture of the flow field as well as the interaction between the flow generated by each channeI. Solving the Momentum equations, that were written in generalized orthogonal coordinates, using the stress-flux formulation, was the challenge of the numerical method. The computational program was devised by employing the finite volume method and it was implemented in FORTRAN language. The velocity measurements were performed by a laser Doppler anemometer system capable of acquiring and processing two simultaneous orthogonal velocity components. Difficulties arising ftom the optical access to the regions of interest inside the pump and from the similitude between testing and phisiological conditions were overcome by the experimental protocol specially designed for non-intrusive velocity measurements. The main contribution of the present study concems the development of a specific methodology which provides the link between the flow structures and the potential damage to the red blood cells / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T00:41:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Foresti_BernardoPereira_M.pdf: 7267999 bytes, checksum: 1a200bffc0e39d2a529a64080b7ddad0 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho buscou-se desenvolver uma metodologia que se valendo de dados de vibração estrutural de carcaça e da operação de uma bomba do bombeio centrífugo submerso (BCS) fosse capaz de identificar parâmetros da operação deste tipo de máquina, tais como: vazão mássica de líquido e gás, diferença de pressão, eficiência e potência mecânica. Para isso foram adaptados os seguintes métodos de diagnóstico de falhas: Método Baseado na Densidade Espectral de Potência, Método Baseado na Função Resposta em Frequência, Método Baseado na Medida de Coerência, Métodos Baseados nos Parâmetros do Modelo (Geométrico e Não-geométrico), Métodos Baseados nos Resíduos do Modelo (Baseado na Variância e Auto-covariância dos Resíduos) e Método Baseado em Modelos Funcionais. Tais métodos requerem a organização de um banco de dados, na fase de levantamento de referências utilizado para comparação com dados obtidos na fase de inspeção, visando à detecção, identificação e estimação da magnitude das falhas e defeitos, conceitos adaptados para o problema apresentado neste trabalho. A metodologia foi aplicada a dois casos: o primeiro, numérico, baseado em dados obtidos da simulação de um sistema de três graus de liberdade foi utilizado para operacionalização da metodologia e antecipação de problemas e dificuldades em sua aplicação. O segundo, experimental, principal foco deste trabalho, baseado em uma bomba utilizada no bombeio centrífugo submerso. Para aplicação da metodologia ao caso experimental, foi elaborado experimento utilizando uma bomba do BCS de quatro estágios instrumentada operando com escoamento bifásico ar-água em diferentes proporções. Resultados indicaram bom desempenho na detecção do tipo de escoamento (monofásico/bifásico), na identificação da vazão mássica de gás escoado e na estimação da vazão de líquido transportado pelo BCS / Abstract: In this research a method using structural vibration and operational data of a pump module normally used with and electrical submersible pump (ESP) has been developed to identify operational parameters, such as: liquid and gas flow rate, differential pressure, efficiency and shaft power. To this end, the following time-series fault detection and identification (FDI) methods were adapted: Power Spectral Density-based Method, Frequency Response Function-based Method, Coherence Measure-based Method, Parameter-based Method (Geometric and Non-geometric), Residual-based Methods (Residual Variance and Residual Uncorrelatedness) and Functional Model-based Method. For FDI, the methods require the set-up of a data base, in the baseline phase used for comparison with data obtained during inspection. The methodology was applied for two cases: A numerical problem based on a three degrees of freedom system, aiming at making functional the programs used and anticipating problematic issues and experimental data from a real ESP pump module, main focus of this work. The experiment consists of measuring structural vibration, and operational data of an ESP pump while varying liquid and gas flow rates keeping shaft speed and suction pressure constant. Results have indicated successful detection of flow type (monophasic/biphasic), identification of the gas flow and estimation of the liquid flow pumped by the ESP pump / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-23T09:29:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Daun_LeandroGalvao_M.pdf: 5084421 bytes, checksum: 56e4661dc939fdef8c0383b09f63721f (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Os desafios tecnológicos na produção de petróleo e gás têm aumentado consideravelmente nos últimos anos devido à busca por segurança, redução de custos e otimização da produção, como indicado pelo grande número de estudos sobre a garantia de escoamento. Uma grande preocupação está relacionada ao escoamento multifásico em equipamentos submarinos, onde podem ocorrer diferentes padrões de escoamento e fenômenos termo-fluido-dinâmicos. O presente trabalho tem por objetivo avaliar experimentalmente possíveis fenômenos de garantia de escoamento na entrada de um Sistema de Bombeio Centrifugo Submerso em Skid (S-BCSS), como o instalado no campo de Espadarte na costa brasileira. A atenção foi dada a possíveis sinais de surging da BCS, devido à presença de gás na fase líquida e mudança na orientação do escoamento a partir da horizontal para a vertical descendente, a montante da entrada da bomba. As condições de transição entre os padrões de escoamento "bolhas dispersas" e "intermitente" foram investigados em uma linha experimental com configuração do tipo U horizontal com braços superior, inferior e curvas de 90 graus. A tubulação da linha possui diâmetro interno de 60 milímetros e comprimento total de 32 metros, sendo testada com ar e água em uma ampla gama de composições de mistura permitindo a comparação com mapas de fluxo horizontal e vertical descendente encontrados na literatura. O comportamento dos limites de padrões de escoamento foi experimentalmente avaliado, indicando possibilidades de acumulo de gás na curva superior devido à mudança de padrão "bolhas dispersas" para "intermitente" quando há alterações de orientação do escoamento horizontal para vertical descendente. A existência de uma velocidade mínima da mistura capaz de assegurar o arrasto das bolhas pelo líquido foi também investigada. Diferentes correlações para a velocidade de deslizamento e parâmetro de distribuição foram testadas para o cálculo da fração de vazio. Isto foi realizado através da obtenção da velocidade média do gás local, por meio da obtenção de imagens em alta velocidade seguido de um processamento digital das mesmas. A fração de vazio foi calculada a partir da relação entre as velocidades superficiais e locais do gás. Através da comparação entre 2124 pontos experimentais, foi possível obter as melhores correlações de fração de vazio para diferentes intervalos, resultando na obtenção de diferentes valores de velocidades mínimas de mistura / Abstract: The technological challenges in the oil and gas production have increased considerably in recent years due to the search for safety, cost reduction and production optimization, as indicated by the large number of studies on flow assurance. One major concern is the multiphase flow in subsea equipment where different flow patterns and thermo-fluid-dynamic phenomena may occur. The present work is aimed at evaluating experimentally possible flow assurance phenomena at the inlet of a Subsea Skided ESP (mudline ESP) such as one installed at Espadarte field offshore Brazil. Attention was paid to possible surging of the pump due to the presence of gas bubbles within the liquid and change in flow orientation from horizontal to vertical downward upstream the ESP intake. First, the conditions at the transition between dispersed bubbles and intermittent flow were investigated in a horizontal U-type tube with top and down arms and 90-degree bends. A flow circuit of 60mm i.d. size and 32m was built and tested using air and water in a wide range of mixture compositions, allowing comparisons with horizontal and downward flow maps found in the literature. The behavior of flow pattern boundaries was experimentally evaluated and indicated no possibility of gas accumulation on the upper bend due when the flow pattern changes from dispersed bubbles to intermittent as the flow orientation changes from horizontal to downward. The requirement of a minimum mixture velocity capable of ensuring enough drag of the bubbles by the liquid was also investigated. Several different correlations for drift velocity and distribution parameter were tested for calculation of the void fraction. This was achieved by measuring the local average gas velocity using a high speed imaging and digital image processing. The void fraction was calculated from the ratio between superficial and local gas velocities. From comparison with 2,124 data points, the best void fraction correlation for each range was determined, from which reliable values for the minimum mixture velocity were determined / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-19T20:45:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MonteVerde_William_M.pdf: 4763246 bytes, checksum: d71320f12abcec340b449d80b2466a83 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A utilização de bombas centrífugas submersas (BCS) operando com a mistura gás-líquido é comum na indústria de petróleo. Para elevadas vazões de líquido e baixas frações de gás o desempenho da bomba é similar ao escoamento monofásico. No entanto, uma degradação severa no desempenho é observada para elevadas frações de gás. A presença de gás livre no escoamento causa instabilidades na curva de ganho de pressão versus vazão. A curva passa a exibir um ponto de máximo, conhecido como ponto de 'surging', sendo que para vazões abaixo desse ponto, ocorre uma acentuada queda no ganho de pressão e, portanto, na capacidade de bombeamento. O aumento da vazão de gás pode causar o bloqueio da área disponível ao escoamento no rotor da bomba, fazendo com que a vazão seja nula, fenômeno conhecido como 'gas locking'. Portanto, o conhecimento das condições operacionais onde ocorre o surging é de fundamental importância para a operação adequada da bomba. O objetivo deste trabalho é obter as curvas de desempenho (elevação, potência e rendimento) de BCS operando com misturas gás-líquido. Com esse propósito as curvas característica de um protótipo de BCS foram determinadas utilizando a mistura água-ar, com frações volumétricas de gás entre 0 e 10% em diferentes rotações, pressões de sucção e vazões de líquido. O protótipo de BCS foi desenvolvido a partir de uma bomba convencional permitindo a visualização do escoamento no interior da bomba. Um manuseador de gás também foi testado buscando determinar suas características operacionais. Os ensaios foram realizados em uma bancada de testes, onde foram medidas os parâmetros do escoamento (vazões de ar e água, pressão e temperatura na entrada e saída da bomba) e parâmetros mecânicos (torque de velocidade de rotação). Uma severa degradação no desempenho, e consequentemente no rendimento da bomba foram observados devido à presença de gás no escoamento. Os fenômenos de surging e gas locking também foram observados durante os testes. A velocidade de rotação e a pressão de sucção influenciaram a fração volumétrica onde o surging ocorre. O aumento da velocidade de rotação e da pressão de sucção desloca a fração volumétrica critica de gás para valores mais elevados, aumentando a faixa operacional da bomba / Abstract: The use of electrical submersible pumps (ESP) under gas-liquid flow is very common in the oil industry. At constant liquid flow rate a dramatic degradation on pump head is observed as gas flow rate increases. Natural instabilities of two-phase flow may cause the centrifugal pump to surge at rather low gas void fraction (GVF), as evidenced by a critical point in the pressure gain x flow rate curve, a phenomenon referenced as 'surging point'. Further increase in GVF may cause the gas to fill most of the pump impeller, making the liquid flow rate to decrease down to zero, a phenomenon known as 'gas locking'. Therefore, knowledge of the conditions for which the pump starts to surge is of utmost importance and can only be understood through experimental investigation. The goal of this work is to present the experimental ESP performance curves (head, brake horsepower and efficiency) when operating with gas-liquid mixtures. For that purpose the characteristic curves were determined for one prototype of ESP, operating with water and two-phase air-water mixtures with GVF ranging from 0 to 10 % at different rotational speed, intake pressure and liquid flow rate. The ESP prototype is designed to make possible the flow visualization inside the pump. The performance of a gas handler was also tested in order to determine their operational characteristics. Tests were carried out on an ESP testing bench, where flow parameters (air and water flow rates, pressure and temperature at the inlet and outlet of the pump) and mechanical parameters (shaft torque and speed) were measured. A significant decrease in pump head, and consequently in pump efficiency, was observed as the air fraction was increased. Phenomena like surging and gas locking were observed during these tests. The rotational speed and intake pressure affect the critical GVF at the surging conditions. Increasing the rotational speed and intake pressure moves de critical GVF to higher values extending the operational range the ESP / Mestrado / Explotação / Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-22T09:14:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Varon_MauricioPardo_M.pdf: 5247609 bytes, checksum: ddfee289e17057b479b10f2913e86805 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O Bombeio Centrífugo Submerso (BCS) é um dos métodos mais importantes de elevação artificial de petróleo, no Brasil e no mundo. A bomba de BCS é acionada por um motor elétrico acoplado diretamente ao eixo da bomba. Comumente, possui também um conjunto de sensores que fazem o monitoramento da operação do motor, além de outras variáveis próprias como, por exemplo, o ganho de pressão gerado pela BCS. Por outro lado, a operação remota do motor na superfície se dá através de um inversor de frequência que fornece, além da rotação, o consumo elétrico da BCS. A medição da vazão de líquido produzida por cada poço é tradicionalmente realizada com instrumentação especializada de alto custo. Dado que o sensor do motor da BCS e o inversor de frequência que a opera já fornecem informações utilizadas para o monitoramento do equipamento e para o gerenciamento do poço, a vazão de líquido local na BCS poderia ser determinada com base em curvas de desempenho previamente levantadas nas condições de operação esperadas. O ganho de pressão gerado pela BCS e a potência elétrica consumida pelo motor que a aciona são as variáveis de desempenho consideradas neste estudo para avaliar a incerteza da vazão de líquido local estimada através da bomba em diversas condições de operação (incluindo escoamento bifásico e viscoso). A avaliação é feita com base na norma API RP 11S2, que estabelece as práticas recomendadas para testes de BCS / Abstract: ESP (Electrical Submersible Pump) is one the most important artificial lift methods for oil in Brazil and worldwide. The centrifugal pump is driven by an electric motor directly coupled to the pump shaft. Commonly, also has a set of sensors that monitor the electric motor operation, and other variables themselves, for example, the pressure gain generated by the ESP. Moreover, the remote operation of the equipment at the surface is performed via a frequency inverter that provides, in addition to the rotation, the power consumption of the ESP. Measurement of liquid flow rate produced by each well is traditionally performed with specialized instrumentation costly. As the motor sensor and the frequency inverter that drives the ESP already provide information used for monitoring equipment and for managing the well, the local liquid flow rate in the ESP could be determined based on correlations with these data. The pressure gain generated by the ESP and electrical power consumed by the motor are the considered variables for this study to correlate with the flow rate of fluid produced and to assess the quality of the results by analyzing uncertainties. To achieve this, a series of performance curves are obtained at different operating conditions (including two-phase flow and viscous) to observe how the uncertainty of the results are affected by correlated variables. The assessment is based on the standard API RP 11S2, which establishes best practices for testing BCS / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

En este trabajo monográfico se quiere poder determinar mediante experiencias y el análisis de otros trabajos realizados en diferentes empresas pesqueras a nivel nacional; de los cuales se ha podido realizar una determinada recolección de datos y mejores maneras del aprovechamiento en la recuperación de las grasas de la materia prima, en esta monografía se trata de dar algunas pautas para una adecuada programación en la recuperación de sólidos grasos en el agua de bombeo, la cual pasa a ser un tema importante a tratar ya que de acuerdo a los limites permisibles contenidos de grasa en este elemento, se está tratando de controlar las evacuaciones al mar con la menor diferencia de grasa posible normándose mediante resoluciones dadas por el Ministerio de la Producción.

A hemólise induzida mecanicamente em sistemas de bombeamento centrífugo é um processo complexo para o qual ainda se almeja um modelo matemático que possa auxiliar eficazmente o desenvolvimento e otimização destes dispositivos médicos. Este trabalho propõe um equacionamento matemático do escoamento do fluido sanguíneo no interior de bombas centrífugas, levando-se em consideração as variações do campo de tensões através de uma abordagem reológica não-newtoniana. A destruição da fase globular é modelada matematicamente por uma distribuição estatística. Tal modelo bifásico simplificado é utilizado em simulações numéricas de experimentos virtuais propostos e padronizados pela comunidade científica internacional especializada. A validação do modelo é realizada através de comparação com resultados referenciais. Os resultados obtidos demonstram um nova possibilidade de solução numérico-computacional para o problema da hemólise por trauma mecânico. / Mechanically induced hemolysis in centrifugal pumping systems is a complex process for which a mathematical model is still desired. It can effectively aid the development and optimization of these medical devices. This work proposes a mathematical modeling for the blood flow into centrifugal pumps, taking into account the variations of the stress field through a non-Newtonian rheological approach. The destruction of the globular phase is mathematically modeled by a statistical distribution. Such a simplified two-phase model is used in numerical simulations of virtual experiments proposed and standardized by the international scientific community. The validation of the model is performed through comparison with reference results. The results obtained show a new mathematical solution for the problem of hemolysis induced by mechanical trauma.

PETROBRAS / Ao longo dos últimos anos a utilização de bombas centrífugas submersas (BCS) se tornou o segundo método de elevação artificial mais usado na indústria petrolífera. Como a produção típica dos poços petrolíferos submarinos consiste em misturas contendo óleo e gás, as bombas centrífugas estão sujeitas a operar com escoamento bifásico. A presença de gás livre no escoamento provoca instabilidades e degradação da curva de ganho de pressão da bomba. Essa degradação se torna muito grande quando ocorre o fenômeno de surging. Este fenômeno é caracterizado por um grande acúmulo de gás nos canais do rotor, sendo seu início identificado como um ponto na curva de ganho de pressão a partir do qual o desempenho cai de forma abrupta com a diminuição da vazão do líquido. Dependendo da fração de gás na entrada da bomba, pode ocorrer o bloqueio dos canais do rotor, fenômeno conhecido como gas locking, fazendo com que a vazão de líquido e o incremento de pressão sejam praticamente nulos. Portanto, é fundamental o conhecimento das condições operacionais e padrões de escoamento ligados à ocorrência de surging para uma operação adequada da bomba. Nesse cenário, o presente trabalho tem por objetivo avaliar o desempenho de uma bomba centrífuga operando com escoamento bifásico ar-água. Para esse fim, foram levantadas as curvas de ganho de pressão de uma bomba centrifuga convencional de dois estágios com rotores de tipo radial. Os testes foram feitos utilizando água e ar como fluidos de trabalho, com frações volumétricas de gás entre 0 e 10%, velocidades de rotação entre 300 e 600 rpm, com vazões de água entre 0,2 e 1,5 vezes o ponto de máxima eficiência e uma pressão de sucção de 160 kPa. Ao mesmo tempo, foram identificados os diferentes padrões de escoamento dentro do rotor em diferentes condições operacionais. Para construção da bancada, a carcaça da bomba e o rotor original de seu primeiro estágio foram substituídos por outros de material transparente, o que permitiu fotografar a distribuição de gás na bomba com a ajuda de uma câmera de alta velocidade. Além de se utilizar o modelo homogêneo (não deslizamento) como referência para calcular a fração de vazio de entrada em cada teste, um sensor de malha de eletrodos (wire mesh) foi instalado na sucção da bomba com o objetivo de medir frações de vazio reais, que posteriormente foram comparadas com os resultados do modelo homogêneo e o de deslizamento (drift flux). As imagens obtidas foram associadas às instabilidades observadas nas curvas de desempenho da bomba, como forma de se compreender os fenômenos relacionados à queda de desempenho em operação com escoamento bifásico, em especial nas condições de surging. Esse procedimento, associado à medida da fração de vazio real na entrada da bomba, não apenas contribui com o entendimento do escoamento bifásico líquido-gás em bombas, como também oferece uma fonte interessante de dados de entrada e de validação de modelos teóricos e numéricos para outros trabalhos. / Over the last years the use of electric submersible centrifugal pumps (ESPs) has become the second most widely used artificial elevation method in the oil industry. As the typical production of submarine oil wells consists of mixtures containing oil and gas, the centrifugal pumps are subjected to operate with two-phase flow. The presence of free gas in the flow causes instabilities and degradation of the pump pressure-rise curve. This degradation becomes severe when the surging phenomenon occurs, which is characterized by large gas accumulations inside the impeller, with its initiation identified as the point in the pressure-rise curve from which the performance falls abruptly with the decrease of the liquid flow rate. Depending on the intake gas fraction, the rotor channels can be completely blocked (gas locking), causing the liquid flow rate and the pressure-rise to be almost null. Therefore, knowledge of operating conditions and flow patterns linked to the occurrence of surging for proper pump operation is critical. In this scenario, the present work aims to evaluate the performance of a centrifugal pump operating with two-phase air-water flow. To this end, the pressure-rise curves of a conventional two-stage centrifugal pump with radial rotors were measured. The tests were done using water and air as working fluids, with volumetric gas fractions between 0 and 10%, rotational speeds between 300 and 600 rpm, water flow rates between 0.2 and 1.5 times the best efficiency point and a suction pressure of 160 kPa. At the same time, different flow patterns were identified inside the rotor under different operating conditions. For this purpose, the pump casing and the original rotor of its first stage were replaced by equivalent transparent pieces, which allowed photographing the gas distribution inside the pump with the help of a high-speed camera. In addition to using the homogeneous (non-slip) model as a reference to calculate the inlet gas volume fraction in each test, a wire mesh sensor was installed in the intake pipe in order to measure the actual void fractions, which were later compared with the results from the homogeneous and the drift flux models. The images obtained were associated with the instabilities observed in the performance curves of the pump, as a way to understand the phenomena related to the performance degradation in two-phase flow operation, especially under surging conditions. This procedure, together with the measurement of the actual gas volume fractions in the pump intake, not just contributes to the understanding of gas-liquid flows in pumps, but also provides an interesting source of data for input and validation of theoretical and numerical models for other investigations.

Bombas centrífugas são amplamente utilizadas na indústria do petróleo na técnica de elevação artificial de bombeio centrífugo submerso. O gás existente em alguns reservatórios de petróleo pode causar a degradação da altura de elevação destas bombas. A deterioração do desempenho indica uma menor capacidade para aumentar a pressão, o que reduz a taxa de produção do poço de petróleo e resulta em perdas econômicas. No entanto, a compreensão do comportamento da mistura de gás-líquido em bombas centrífugas é uma tarefa complicada que é praticamente inexplorada por métodos numéricos na literatura. Nesse sentido, este trabalho propõe um estudo numérico da dinâmica de uma bolha de gás no interior do primeiro estágio do rotor de uma bomba centrífuga radial. Para essa finalidade, uma abordagem de seguimento de partículas é empregada através de um programa de CFD comercial. O estudo tem por objetivo analisar a influência da força de arrasto, da força devido ao gradiente de pressão e da força de massa virtual atuando numa bolha que flui através do líquido no canal do rotor. Os resultados numéricos foram comparados com dados experimentais da literatura obtidos para o escoamento de água e ar, no mesmo modelo de bomba. A análise numérica mostrou uma maior influência das forças de arrasto e pressão nas trajetórias das bolhas isoladas. Variações da velocidade de rotação, vazão do líquido, diâmetro e posição da bolha mostraram a influência que essas variáveis causam na trajetória da bolha, favorecendo ou desfavorecendo sua saída do rotor. Além disso, o modelo numérico de CFD se mostrou ser uma ferramenta útil para analisar o movimento da bolha, o que muitas vezes é complicado de alcançar por métodos experimentais. Por fim, as informações extraídas são relevantes para o entendimento da física do problema que esta trás do fenômeno de surging, associado com a degradação do desempenho das bombas centrífugas. / Centrifugal pumps are widely used in the oil industry as the main component of the technique known as artificial lift by electric submersible pumping systems. The performance of those pumps as for their lifting capacity may however degrade due to the presence of reservoir gas. This performance degradation reduces a pump’s ability to increase the pressure levels, thus reducing a well’s production rate and therefore incurring economical losses. Yet, understanding the behaviour of the gas-liquid mixture inside a electric submersible pump is a rather complex task which is largely unexplored in the literature, as the scarcity of numerical methods aimed at modelling this behaviour attests. Therefore, the present work proposes a numerical study on the dynamics of a solitary bubble inside the rotor of the first stage of a radial electric centrifugal pump. A particle-tracking approach to accomplish that goal is used, by means of a commercial CFD package. This study aims at analysing the influence of the drag force, and the force due to the pressure gradient and the virtual mass force acting on a bubble flowing through the liquid in the rotating impeller channel. The results were compared to experimental data from the literature obtained for air-water flows through the same pump model. The numerical analysis showed the dominance of the drag and pressure forces on the trajectory of the solitary bubbles. Changes in radial speed, liquid flow rate, bubble diameter and position demonstrated the role those variables play on the bubble trajectory, favouring or disfavouring its exit from the rotor. Also, the numerical CFD model proved to be an useful tool to analysing the bubble movement, which is often difficult to obtain by means of experimental techniques. Finally, the gathered information are relevant to the understanding of the physics underlying the surging phenomenon associated with the degradation of the performance of centrifugal pumps.